Aspen计算水活度

学术   其他   2023-03-29 18:56   新加坡  

水活度(water activityaw)是用来描述水和有机溶剂的混合溶剂中水的化学势的一项参数。水活度通俗地讲就是混合溶剂中水可以被利用的难易程度(water activity = water availability)。如果水和其它溶剂作用,它就不能参与水合作用,也就是说它的有效浓度就低于它的实际浓度。如果所有的水都可用,则aw= 1;如果所有的水都不可用,则aw= 0。它的大小可以根据相对湿度、蒸汽压或者是溶剂组成来计算。水活度可以用下面的公式表示:

其中P是水蒸气分压,P0是纯水在相同温度下的压力。在空气环境下,水活度和相对湿度的关系可以用下面的式子表示:

在溶液中,水活度由溶液的蒸气压决定。它和水的摩尔分数相关,由下面的公式表示:

其中lw是活度系数,xw是溶液中水的摩尔分数。不同溶液的活度系数跟物质的种类以及物质在溶液中的浓度有关。活度系数随浓度的变化通常会导致RH和浓度的非线性关系。例如,甲醇/水体系的水活度随水含量的变化几乎是呈线性的。但是异丙醇/水体系中却有较大的偏离。此前介绍了通过UNIFAC Calculator计算水活度的方法,但该软件计算模型单一,而且每次只能计算一个条件(特定温度和溶剂组成)下的水活度。Aspen是一款非常强大的化工模拟软件,同样可以用于水活度的计算。下面介绍一下计算方法:

第一步:添加组分。添加需要模拟的体系组分,以EtOH/water为例。

第二步:选择物性方法。Aspen中可选的模型有很多,常用的有UNIQUACNRTL等。

第三步:建立分析。

第四步:输入体系。因为只涉及水活度计算,所以随便输入一个值就行。

设置定量和变量。比如计算常压、室温条件下水活度随水质量分数变化的变化情况,可以设置如下。同时还需要设置变化范围,比如0-1,间隔0.01

第五步:调用报告性质。

第六步:运行得到结果。Aspen计算不是直接得到水活度,而是活度系数。根据上面水活度的计算方法,水活度等于水的摩尔分数乘以水的活度系数。下图所示的是乙腈摩尔分数和水活度的关系曲线。


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